Route technologique des émetteurs-récepteurs optiques 400G à 800G jusqu'à 1.6T

Module optique enfichable 800G

Dans un réseau de centre de données, les performances et la bande passante de la puce de commutation sont des facteurs très importants, et les performances et la bande passante de la puce de commutation dépendent de ses circuits SerDes internes, qui sont une sorte de circuit qui convertit les données série en données parallèles ou des données parallèles aux données série et permet une communication de données à haute vitesse, à faible consommation et à faible latence. Les SerDes les plus courants sur le marché aujourd'hui ont une vitesse de 100 Gbit/s (100 milliards de bits par seconde), ce qui signifie que chaque canal peut transmettre 100 Gbit/s de données. Cette technologie SerDes est appelée 100G SerDes. selon un rapport, la bande passante des puces de commutation utilisant des SerDes 100G devrait dépasser la bande passante de l'ensemble du marché Ethernet en 2022 d'ici 2023, pour atteindre 13.8 ZB (13.8 gigaoctets par an).

La fibre 800G et l'Ethernet 800G sont deux technologies émergentes alors que le besoin de transmission de données à haut débit dans les réseaux des centres de données continue de croître. La fibre 800G est un périphérique optique capable de transmettre 800 Gbit/s de données sur fibre optique. La fibre 800G peut être implémentée à l'aide de différentes configurations SerDes, telles que deux 400G ou huit 100G. La fibre 800G présente l'avantage d'améliorer les performances et l'efficacité du réseau, mais l'inconvénient d'une consommation d'énergie et d'un coût plus élevés. Actuellement, la fibre 800G en est à ses débuts et est offproposé par certains des principaux fournisseurs et est principalement utilisé pour interconnecter des centres de données hyperscale.

800G Ethernet est une norme réseau qui définit comment transmettre 800 Gbit/s de données sur Ethernet. La spécification Ethernet 800G a été finalisée par l'Ethernet Technology Alliance en avril 2020. La spécification Ethernet 800G comprend une variété de paramètres d'interface de couche physique (PHY) et de couche de contrôle d'accès au support (MAC) pour s'adapter à différents scénarios d'application et exigences de distance. L'avantage de l'Ethernet 800G est qu'il peut fournir une capacité et une flexibilité réseau plus élevées, mais l'inconvénient est qu'il nécessite une technologie et un travail de normalisation plus complexes. Actuellement, l'Ethernet 800G est encore en phase de développement et les produits commerciaux devraient commencer à apparaître en 2023. Les optiques 800G seront prêtes avant l'Ethernet 800G. La croissance rapide du cloud computing a créé une demande pour des optiques 800G, en particulier pour les applications IA/ML qui reposent sur des optiques hautes performances et peu coûteuses. L'optique 800G peut fournir une bande passante et une efficacité spectrale plus élevées, prendre en charge des formats et des algorithmes de modulation plus complexes et s'adapter à différentes architectures et scénarios de réseau de centres de données. Les optiques 800G permettent également des déploiements hybrides avec des optiques 400G pour une flexibilité et une compatibilité réseau accrues. L'optique 800G peut également être déployée en hybride avec l'optique 400G pour une flexibilité et une compatibilité réseau accrues.

Pourquoi choisir l'optique 800G ?

1. Réduction des coûts : l'optique 800G peut réduire les coûts au niveau optique et du système, par exemple en réduisant l'utilisation de la fibre optique, en réduisant le nombre de modules optiques et en améliorant l'intégration et la fiabilité du système. De plus, les dispositifs optiques 800G peuvent également utiliser la technologie et les équipements 100G et 400G existants pour réduire les coûts de R&D et de production.

2. Consommation d'énergie réduite : les dispositifs optiques 800G peuvent réaliser des économies d'énergie au niveau optique et du système, par exemple en utilisant des formats de modulation plus efficaces, en optimisant la conception des circuits et en réduisant la densité de puissance. Selon une étude, la consommation électrique des modules optiques 800G est environ 30 % inférieure à celle des modules optiques XNUMXG. Modules optiques 400G.

3. Densité plus élevée : l'optique 800G peut augmenter la densité de transmission du réseau pour répondre à la forte demande de bande passante dans des scénarios tels que les centres de données et le cloud computing. Par exemple, les modules optiques 800G peuvent atteindre un taux de transmission de 800 Gbit/s par longueur d'onde, ce qui équivaut à huit 100 Gbit/s ou deux à 400 Gbit/s. Cela peut améliorer le taux d'utilisation des puces de commutation et suivre la feuille de route des puces de commutation.

Applications de dérivation 800G

1. La technologie breakout 800G permet des combinaisons efficaces de plusieurs cas d'utilisation, prend en charge l'agrégation et la lecture aléatoire, et améliore la tolérance aux pannes et la flexibilité du réseau tout en augmentant le nombre de ports et la bande passante du commutateur.

2. La technologie de dérivation 800G vers Dual 400G-DR4/FR4/LR4/ER4 permet l'interconnexion entre deux modules optiques 400G, couvrant différentes distances et scénarios de transmission et réduisant les coûts et la complexité en utilisant un double LC, un double Mini-LC ou un double MPO, qui sont connecteurs de fibre courants.

3. 800G DR8 La technologie Breakout peut décomposer un module optique 800G en modules optiques octaux 100G DR, en utilisant le SN/MDC octal, un nouveau type de connecteur ultra-compact, pour réaliser un câblage à fibre optique haute densité afin de répondre à la demande de trafic élevée des centres de données.

Optique Lambda 200G

200G Lambda est une technologie de transmission optique émergente qui peut atteindre un débit de données de 200 Gbit/s par longueur d'onde sur une seule fibre, ce qui présente les avantages suivants par rapport à la technologie 100G multi-longueurs d'onde traditionnelle :

1. Consommation d'énergie réduite par bit : la technologie Lambda 200G permet d'économiser 20 % à 30 % de la consommation d'énergie car elle ne nécessite qu'un seul laser et un récepteur optique, par opposition à quatre lasers et quatre récepteurs optiques pour la technologie 100G multi-longueurs d'onde. De plus, la technologie 200G Lambda réduit la consommation d'énergie en réduisant la complexité des circuits et la surcharge de traitement du signal.

2. Coût par bit réduit : la technologie 200G Lambda peut réduire le coût par bit de 50 % car elle réduit le nombre et le coût des lasers et des terminaisons fibre, ainsi que le nombre et le coût des modules optiques et des liaisons fibre. En outre, la technologie 200G Lambda peut utiliser la technologie et les équipements 100G existants, réduisant ainsi les coûts de R&D et de production.

3. Le meilleur choix pour les SerDes 200G à l'avenir : les SerDes sont des circuits qui convertissent les données série en données parallèles, ou les données parallèles en données série, et effectuent une communication de données à haut débit entre la puce du commutateur et le module optique. La technologie Lambda 200G ne nécessite qu'un seul canal SerDes 200G pour une transmission de données à 200 Gbit/s, tandis que la technologie 100G multi-longueurs d'onde nécessite quatre canaux SerDes 100G pour réaliser la même transmission de données.

État actuel de 200G Lambda

1. La faisabilité technique a été établie pour une variété de technologies optiques telles que EML et SiPh.

2. Nécessité de finaliser les nouvelles spécifications FEC et optiques pour la spécification Lambda 200G.

Nécessité d'une spécification 200G Lambda multifournisseur pour permettre la mise en œuvre continue des boîtes de vitesses Lambda 200G. L’adoption du 200G Lambda débutera en volume en 2024.

Module émetteur-récepteur optique enfichable 1.6 T

Feuille de route technologique des modules optiques enfichables

Le 1.6T-OSFP (8 canaux 200G) est un module optique haut débit qui fournit huit canaux 200G de signaux optiques sur une seule interface OSFP pour atteindre une bande passante totale de 1.6 Tb/s. Le module est conçu pour être utilisé dans une large gamme d'applications, par exemple dans le domaine de la fibre optique. Ce module optique utilise la technologie de modulation PAM4, qui utilise 50G de signaux électriques par canal pour piloter 100G de signaux optiques. Pour garantir des performances électriques à 200G/canal, le groupe de travail OSFP MSA 200G a affiné les dimensions et les spécifications électriques de l'interface OSFP en octobre 2020, rendant le module optique 1.6T-OSFP entièrement compatible avec le module optique OSFP 800G. Cette compatibilité offre plus de flexibilité et d'évolutivité pour les réseaux de centres de données. En relation avec les puces de commutation SerDes 200G, les modules optiques OSFP 1.6T peuvent être directement connectés aux puces de commutation à l'aide de la technologie SerDes 200G sans avoir besoin de convertisseurs ou d'adaptateurs supplémentaires. Cela réduit les coûts du réseau et la consommation d'énergie et améliore l'efficacité du réseau. On s’attend à ce que les puces de commutation SerDes 200G deviennent le choix courant pour les réseaux de centres de données d’ici 2025.

OSFP

Petit facteur de forme octal enfichable, XD = Extra Dense

Alors que la demande de transmission de données à haut débit dans les réseaux de centres de données continue de croître, les modules optiques 1.6T suscitent un vif intérêt. Associé à une puce de commutation 51.2T, le module optique 1.6T peut atteindre une densité de commutation de 51.2T dans une carte de ligne 1U ou un châssis fixe, réduisant ainsi considérablement les coûts au niveau du système. Cette puce de commutation utilise la technologie 100G SerDes, ce qui signifie que chaque canal peut transporter 100 Gbit/s de données. Cette technologie SerDes est devenue un choix courant sur le marché et davantage de puces de commutation devraient utiliser la technologie SerDes 100G entre 2023 et 2027.

OSFP-XD (Ultra High Density) est un nouveau type de module optique présentant les caractéristiques suivantes :

1. Il prend en charge 16 canaux électriques, chacun pouvant atteindre 100G ou 200G, ce qui donne un débit de données total de 1.6T ou 3.2T.

2. Il dispose d'une gestion efficace de l'alimentation, ne nécessitant que 33 W de puissance pour prendre en charge une variété de solutions optiques, notamment la fibre monomode, la fibre multimode et le câble à fibre optique active.

3. Il présente une conception de boîtier haute densité avec le même facteur de forme que l'OSFP (petit facteur de forme enfichable à huit canaux) mais avec des connecteurs et des assemblages de câbles de plus haute densité. Cela le rend compatible avec les 800G-OSFP empilés, simplifiant considérablement l'acceptation et le déploiement sur le marché.

4. Il a une compatibilité flexible dans la mesure où il peut coexister avec un OSFP empilé (enfichable à deux canaux à petit facteur de forme) sur une seule carte mère, offrant ainsi plus d'options de configuration et de capacités d'extension.

Les Différences of 1.6T Module optique OSFP

Avantages du QSFP-XD

1. Il s'agit de la solution optique enfichable la plus dense du marché aujourd'hui et elle prend en charge 16 canaux électriques, chacun pouvant atteindre 100G ou 200G, ce qui donne un débit de données total de 1.6T ou 3.2T. Il a le même facteur de forme que l'OSFP (Octal Small Form Factor Pluggable) mais utilise un connecteur et un assemblage de câbles de plus haute densité. Cela le rend compatible avec les OSFP 800G empilés, simplifiant considérablement l'acceptation et le déploiement sur le marché. Il répond aux futures exigences de croissance de la densité des puces et améliore le débit et l’efficacité du système.

2. Il prend en charge une gamme complète de technologies optiques, notamment 100G Lamdba, 200G Lambda et Coherent, qui peuvent être adaptées à différentes distances et scénarios de transmission. Il peut prendre en charge des distances de transmission allant jusqu'à 2 kilomètres dans une plage de température de 0 à 70°C avec une faible consommation d'énergie inférieure à 23 W. Il permet une transmission de données à haut débit, efficace et hautement fiable pour répondre aux besoins des centres de données, du cloud computing, de l'intelligence artificielle et d'autres domaines.

3. Il conserve tous les avantages d'un module optique enfichable, notamment la configurabilité, la facilité d'entretien, la flexibilité technique, etc. Elle conserve également le modèle commercial bien connu de la chaîne d'approvisionnement, permettant aux clients de choisir les produits et services les plus appropriés auprès de plusieurs fournisseurs.

Comment réduire la consommation d'énergie par bit

Amélioration de la technologie des processus (TSMC)

Le processus 3NM permet d'obtenir près de la moitié de la réduction de puissance à IsoSpeed ​​par rapport au processus 7NM.

Evolution de la puissance des optiques enfichables

Bien que la consommation électrique des modules individuels augmente de 400G à 1.6T, la consommation électrique moyenne par bit diminue considérablement.

Moyens de réduire davantage la consommation d’énergie

1. Utiliser les technologies DSP 3 nm et 2 nm : ces technologies logiques numériques avancées peuvent réduire considérablement la taille et la résistance des transistors, réduisant ainsi les pertes de commutation et la consommation d'énergie statique du circuit.

2. Conception d'interfaces SerDes basse consommation : les SerDes sont des interfaces qui convertissent les données série en données parallèles et sont couramment utilisées pour les communications à haut débit. Nous pouvons réduire la consommation électrique de SerDes en optimisant le codage, la modulation et le filtrage tout en garantissant l'intégrité et la fiabilité du signal.

3. Utilise des modulateurs optiques de faible puissance : les modulateurs optiques sont des dispositifs qui utilisent la photonique pour contrôler les signaux optiques et sont couramment utilisés dans les communications par fibre optique. Nous pouvons réduire la tension de commande et la perte d'insertion des modulateurs optiques en améliorant le guide d'onde optique, les électrodes et les matériaux afin de réduire la consommation d'énergie.

Il reste encore beaucoup de place pour l'innovation à l'avenir, notamment la réalisation d'une transmission 200G à longueur d'onde unique, le développement de lasers plus performants et la réduction des pertes dans le processus de couplage et de modulation. L'objectif pour les cinq prochaines années est de réduire la consommation d'énergie à 5 à 6 pJ par bit, ce qui nécessitera l'utilisation de processeurs de signaux numériques sur les procédés 2 nm, améliorant l'efficacité des lasers et des modulateurs, et réduisant les pertes de couplage entre le laser et le guide d'ondes.

Toutes les optiques bénéficient d’une consommation électrique réduite. Les améliorations de la puissance optique sont largement indépendantes du facteur de forme.

Les modules optiques enfichables offrent une voie de mise à niveau fluide vers les plates-formes existantes à haut volume, permettant aux avancées en matière d'optique basse consommation d'atteindre le marché rapidement et en volumes élevés.

Résumé de la consommation électrique

1. La consommation électrique par bit des commutateurs diminue considérablement, soit environ 2 fois plus pour deux générations de processus.

2. La consommation d'énergie par bit des modules optiques diminue également de manière significative, soit environ 2 fois toutes les deux générations de processus.

3. La puissance par module optique augmente, avec une capacité passant de 400G->800G->1.6T.

4. Objectifs de puissance pour Modules 1.6T: 20-25W pour l'optique client, 25-30W pour l'optique DCI.

5. Facteur de forme thermique robuste requis pour 20-30 W : OSFP fournit un emballage approprié.

6. Une réduction de puissance supplémentaire est nécessaire : DSP 3/2 nm, Serdes de faible puissance et modulateurs.

Analyse du CPO et du Pluggable

CPO (co-packaged optics) est une technologie qui intègre étroitement un émetteur-récepteur optique ou un moteur optique avec une puce de commutation, ce qui peut augmenter la vitesse et la densité de la transmission des données et réduire la consommation d'énergie et la latence. Actuellement, CPO la technologie a démontré certains résultats dans les laboratoires d'entreprises telles que Facebook et Microsoft et est également soutenue et promue par des organisations industrielles telles que l'OIF (Optical Interconnect Forum). Cependant, le CPO est encore confronté à un nombre considérable de défis, tels que comment augmenter la puissance et l'efficacité des lasers, comment réduire les pertes et les pannes de fibres et de connecteurs, comment garantir la fabricabilité, la réparabilité et la maintenabilité des modules CPO, ainsi que comment contrôler le coût et la consommation d'énergie, etc.

VSR remplace XSR SERDES. Les fournisseurs de puces ont ajouté un mode VSR SERDES basse consommation à leurs puces de commutation, permettant à la puce de commutation 51.2 T de réaliser 180 W d'économies d'énergie sur prise murale par rapport au LR SERDES.

VSR a économisé environ 180 W pour le commutateur 51.2 T

VSR uniformise les règles du jeu. Bien que les économies d'énergie de 180 W soient une bonne nouvelle, la même interface VSR SERDES basse consommation peut être utilisée avec des modules optiques enfichables.

Le résultat : les CPO et les modules optiques enfichables ont la même puissance de liaison électrique.

CPO + ELS augmente la puissance. La source de lumière externe (ELS) du CPO introduit des pertes de couplage optique supplémentaires, qui augmentent la puissance du laser par rapport aux modules optiques enfichables conventionnels, ce qui rend le CPO+ELS plus puissant que les modules optiques enfichables.

Les modules enfichables ont un connecteur optique et les modules CPO ont quatre connecteurs optiques, ce qui entraîne une perte optique supplémentaire importante en raison d'une perte supplémentaire du répartiteur de connecteur et de la polarisation.

Pertes de couplage par rapport au plug-in

1. Pertes de connecteur supplémentaires : 1.2-1.6 dB

Il est très probable que vous ayez besoin de connecteurs de faisceau élargis pour ELS.

2. Pertes de répartiteur et de polarisation : 0.6-1.2 dB

Très difficile de les minimiser pour un grand nombre de fibres.

6. Pertes de couplage supplémentaires totales : 1.8-3 dB

Augmente la puissance du laser de 50 % à 100 %.

Une réduction de puissance supplémentaire est nécessaire

1. Direct Drive réduit la puissance en éliminant le DSP

Difficile d’en faire une norme multi-fournisseurs.

2. Très difficile de réduire la puissance du laser avec ELS

Des pertes de couplage supplémentaires augmentent la puissance du laser.

3. Technologies de modulation alternatives

Les modulateurs photoniques au silicium ont une perte d'insertion élevée.

Résumé du CPO

1. Le CPO n'est pas requis pour les commutateurs 51.2T ou 102.4T

Le problème a été résolu avec Pluggable Optics.

2. Les optiques enfichables 800G et 1600G ne présentent aucun risque

Aucun problème de conception, de facilité d’entretien ou de fabricabilité.

3. Les CPO d'aujourd'hui n'économisent pas l'énergie par rapport au pluggable

L’orientation future la plus prometteuse pour le CPO est l’entraînement direct.